CN113044095B - 一种基于uwb定位的自动跟随婴儿车及工作方法 - Google Patents

一种基于uwb定位的自动跟随婴儿车及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车及工作方法，用于带UWB基站的场地内的婴儿车自动跟随，所述婴儿车包括自带动力的且可与UWB基站通讯的行走机构；所述工作方法包括设于婴儿车处的第一UWB定位模块和设于被跟随目标处的第二UWB定位模块；所述第一UWB定位模块、第二UWB定位模块均与UWB基站无线通讯并进行定位；所述行走机构的控制板单元经UWB基站获取第一UWB定位模块、第二UWB定位模块的位置坐标后，根据两个位置坐标之间的差异，控制婴儿车的移动，使婴儿车与被跟随目标之间的距离保持在阈值范围内；本发明能利用UWB定位技术不受环境、遮挡影响，抗干扰能力强，精度高，部署成本低等特点，通过UWB定位技术及马达驱动转向实现婴儿车对目标的自动跟随。

Description

一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车及工作方法
技术领域
本发明涉及生活设施技术领域，尤其是一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车及工作方法。
背景技术
随着现代生活质量的不断提高，智能母婴产品的市场逐渐扩大，家庭对于产品的多元化需求也逐渐增多。婴儿车作为一种方便家庭携带婴儿户外出行的工具，其便利性、安全性、功能性往往成为家庭的关注点。目前市场上的婴儿车大多为人力驱动，长时间的行走十分困难，使操作者无暇顾及其他。偶有婴儿车想要停靠或在路上休息时发生滑动，操作者离开婴儿车发生意外等情况。因此需要提出新的技术解决方案，减轻操作者的行走负担的同时保证婴儿的行驶安全性。
发明内容
本发明提出一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车及工作方法，能利用UWB定位技术不受环境、遮挡影响，抗干扰能力强，精度高，部署成本低等特点，通过UWB定位技术及马达驱动转向实现婴儿车对目标的自动跟随。
本发明采用以下技术方案。
一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车工作方法，用于带UWB基站的场地内的婴儿车自动跟随，所述婴儿车包括自带动力的且可与UWB基站通讯的行走机构；所述工作方法包括设于婴儿车处的第一UWB定位模块和设于被跟随目标处的第二UWB定位模块；所述第一UWB定位模块、第二UWB定位模块均与UWB基站无线通讯并进行定位；所述行走机构的控制板单元经UWB基站获取第一UWB定位模块、第二UWB定位模块的位置坐标后，根据两个位置坐标之间的差异，控制婴儿车的移动，使婴儿车与被跟随目标之间的距离保持在阈值范围内。
所述场地内设有多个UWB基站；所述被跟随目标为操作者，第二UWB定位模块为操作者携带的监护人UWB标签；监护人UWB标签以实时发射的纳秒级的非正弦波窄脉冲信号与UWB基站通讯；UWB基站在定位操作中实时解析监护人UWB标签所在的三维空间坐标；由婴儿车的控制板单元计算出婴儿车相对于需跟随的操作者的跟随方向和到达角度，并调整行走机构的转向控制单元以使婴儿车能智能地跟随操作者。
所述第一UWB定位模块、第二UWB定位模块均包括UWB标签；所述UWB基站通过测量脉冲信号在UWB标签与基站间的往返飞行时间进行定位；具体为UWB标签向UWB基站发送测距请求，UWB基站在接收到UWB标签发送的信号后，向UWB标签回复确认信息。分别记录请求端信号发送和接收之间的时间间隔与接收端信号发送和接收之间的时间间隔，那么信号在空中的单向飞行时间T可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
根据信号在空中的单向飞行时间T与电磁波传播速度c的乘积可以得到标签到基站之间的距离d为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
以各个UWB基站为中心，标签到该基站的距离为半径画圆，交点处即为UWB标签的位置。
所述转向控制单元与行走机构的控制板单元相连，控制板单元通过转向控制算法对小车的行驶方向和行驶速度进行控制；所述行走机构还包括与控制板单元相连的避障单元；当婴儿车跟随操作者移动时，所述控制板单元通过避障单元对婴儿车行进路径上的障碍物进行监测，并控制婴儿车绕开障碍物。
一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车，为以上所述工作方法使用的婴儿车，所述婴儿车包括用于承载婴儿的车身；所述车身以用于跟随目标并平稳移动的行走机构进行承载；所述车身或行走机构处设有车体UWB标签；婴儿车自动跟随功能的使用区域设有多个可对婴儿车和目标物进行UWB定位的UWB基站；所述行走机构以无线方式从UWB基站获取定位结果，并驱动婴儿车跟随目标物以使两者间距保持在阈值范围内。
所述行走机构为婴儿车的底盘；所述底盘包括驱动单元、供电单元、转向控制单元、制动控制单元、避障单元、运动传感器单元、控制板单元、减震单元、蜂鸣器，还包括设有车体UWB标签的UWB定位模块。
所述驱动单元与转向控制单元相连，通过马达驱动运动控制单元实现婴儿车的移动；所述供电单元与驱动单元相连，为婴儿车的行驶供电；
所述控制板单元对小车的行驶方向和行驶速度进行控制；所述转向控制单元与行走机构的控制板单元相连；
所述避障单元包括超声波传感器、红外传感器或激光传感器中的一种或多种；当避障单元的传感器为多种时，控制板单元通过避障单元以多传感器信息融合的方式对婴儿车行进路径上的障碍物进行监测，并控制婴儿车绕开障碍物。
所述运动传感器单元用于实时评估婴儿车的移动情况，包括加速度传感器、倾斜传感器、振动传感器或旋转传感器中的一种或多种；
所述控制板单元与运动传感器单元相连，并通过运动传感器单元进行婴儿车姿态判断，根据判断结果对驱动单元进行调整，确保婴儿车能在多种速度加速度情况下对目标物平稳跟随；
所述制动控制单元与控制板单元、运动传感器单元相连，当运动传感器测量婴儿车有突然的溜动趋势时，制动控制单元判定婴儿车处于滑落状态并使婴儿车自动刹车。
所述婴儿车还包括用于对车身减震的减震单元及与控制板单元相连的蜂鸣器；当控制板单元经运动传感器单元判定婴儿车处于移动失控状态时，通过蜂鸣器报警。
所述婴儿车包括用于锁定婴儿车的总开关；所述总开关与运动传感器单元相连；当运动传感器单元监测到总开关处于锁定状态且婴儿车处于移动状态时，运动传感器单元向控制板单元发送告警信息，控制板单元经制动控制单元使婴儿车自动刹车。
本发明的有益效果是通过高精度UWB定位技术实时定位操作者所在的目标位置，从而计算出婴儿车相对目标位置的方向，马达驱动转向，实现婴儿车自动跟随目标的平稳移动。通过智能传感器评估婴儿车的行进情况，实现姿态调整、自动刹车、紧急锁车、报警等功能。如果婴儿车的移动失控，婴儿车进行失控报警。如果家长锁定婴儿车，短时间离开时，智能传感器单元检测到有他人擅自推车，婴儿车自动制动并发出警报。通过UWB定位的自动跟随婴儿车，为操作者节约体力，为使用者保证安全。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明所述婴儿车的原理示意图；
附图2是婴儿车在跟随目标时的工作流程示意图。
具体实施方式
如图所示，一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车工作方法，用于带UWB基站的场地内的婴儿车自动跟随，所述婴儿车包括自带动力的且可与UWB基站通讯的行走机构；所述工作方法包括设于婴儿车处的第一UWB定位模块和设于被跟随目标处的第二UWB定位模块；所述第一UWB定位模块、第二UWB定位模块均与UWB基站无线通讯并进行定位；所述行走机构的控制板单元经UWB基站获取第一UWB定位模块、第二UWB定位模块的位置坐标后，根据两个位置坐标之间的差异，控制婴儿车的移动，使婴儿车与被跟随目标之间的距离保持在阈值范围内。
所述场地内设有多个UWB基站；所述被跟随目标为操作者，第二UWB定位模块为操作者携带的监护人UWB标签；监护人UWB标签以实时发射的纳秒级的非正弦波窄脉冲信号与UWB基站通讯；UWB基站在定位操作中实时解析监护人UWB标签所在的三维空间坐标；由婴儿车的控制板单元计算出婴儿车相对于需跟随的操作者的跟随方向和到达角度，并调整行走机构的转向控制单元以使婴儿车能智能地跟随操作者。
所述第一UWB定位模块、第二UWB定位模块均包括UWB标签；所述UWB基站通过测量脉冲信号在UWB标签与基站间的往返飞行时间进行定位；具体为UWB标签向UWB基站发送测距请求，UWB基站在接收到UWB标签发送的信号后，向UWB标签回复确认信息。分别记录请求端信号发送和接收之间的时间间隔与接收端信号发送和接收之间的时间间隔，那么信号在空中的单向飞行时间T可以表示为：
Figure 647183DEST_PATH_IMAGE001
；
根据信号在空中的单向飞行时间T与电磁波传播速度c的乘积可以得到标签到基站之间的距离d为：
Figure 361061DEST_PATH_IMAGE002
；
以各个UWB基站为中心，标签到该基站的距离为半径画圆，交点处即为UWB标签的位置。
所述转向控制单元与行走机构的控制板单元相连，控制板单元通过转向控制算法对小车的行驶方向和行驶速度进行控制；所述行走机构还包括与控制板单元相连的避障单元；当婴儿车跟随操作者移动时，所述控制板单元通过避障单元对婴儿车行进路径上的障碍物进行监测，并控制婴儿车绕开障碍物。
一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车，为以上所述工作方法使用的婴儿车，所述婴儿车包括用于承载婴儿的车身；所述车身以用于跟随目标并平稳移动的行走机构进行承载；所述车身或行走机构处设有车体UWB标签；婴儿车自动跟随功能的使用区域设有多个可对婴儿车和目标物进行UWB定位的UWB基站；所述行走机构以无线方式从UWB基站获取定位结果，并驱动婴儿车跟随目标物以使两者间距保持在阈值范围内。
所述行走机构为婴儿车的底盘；所述底盘包括驱动单元、供电单元、转向控制单元、制动控制单元、避障单元、运动传感器单元、控制板单元、减震单元、蜂鸣器，还包括设有车体UWB标签的UWB定位模块。
所述驱动单元与转向控制单元相连，通过马达驱动运动控制单元实现婴儿车的移动；所述供电单元与驱动单元相连，为婴儿车的行驶供电；
所述控制板单元对小车的行驶方向和行驶速度进行控制；所述转向控制单元与行走机构的控制板单元相连；
所述避障单元包括超声波传感器、红外传感器或激光传感器中的一种或多种；当避障单元的传感器为多种时，控制板单元通过避障单元以多传感器信息融合的方式对婴儿车行进路径上的障碍物进行监测，并控制婴儿车绕开障碍物。
所述运动传感器单元用于实时评估婴儿车的移动情况，包括加速度传感器、倾斜传感器、振动传感器或旋转传感器中的一种或多种；
所述控制板单元与运动传感器单元相连，并通过运动传感器单元进行婴儿车姿态判断，根据判断结果对驱动单元进行调整，确保婴儿车能在多种速度加速度情况下对目标物平稳跟随；
所述制动控制单元与控制板单元、运动传感器单元相连，当运动传感器测量婴儿车有突然的溜动趋势时，制动控制单元判定婴儿车处于滑落状态并使婴儿车自动刹车。
所述婴儿车还包括用于对车身减震的减震单元及与控制板单元相连的蜂鸣器；当控制板单元经运动传感器单元判定婴儿车处于移动失控状态时，通过蜂鸣器报警。
所述婴儿车包括用于锁定婴儿车的总开关；所述总开关与运动传感器单元相连；当运动传感器单元监测到总开关处于锁定状态且婴儿车处于移动状态时，运动传感器单元向控制板单元发送告警信息，控制板单元经制动控制单元使婴儿车自动刹车。
实施例：
首先准备工作：在运行婴儿车的具体区域周围安装UWB基站，要想获得精确的位置信息至少需要安装四个UWB基站。我们需要提前测量并配置其位置，这决定后续定位的准确度。对UWB标签进行初始化，绑定身份id，确认设备启动成功。
在婴儿车处，UWB标签定位算法采用TOF辅助AoA定位算法；婴儿车UWB定位模块按照相应的通讯协议通过串口读取车体UWB标签当前所在位置的三维坐标。
当使用婴儿车的自动跟随功能时，操作者手持的UWB标签和婴儿车车底盘内置的UWB定位模块开始发射信号，基站计算出对应编号的三维空间坐标信息，将数据传给婴儿车底盘内置的控制板。
所述控制板单元设有计时器，以某一频率判断操作者UWB标签与婴儿车的之间的距离是否超过设定跟随距离，若超过阈值，车辆开始运动。
控制板单元通过坐标计算判断出自己相对目标位置的偏转角，从而通过转向控制算法控制转向控制模块进行转向和速度的调整，实现自动跟随。当UWB标签在车辆左边时，车辆左转。当UWB标签在车辆时，车辆向右转。当UWB标签在车辆正前方时，车辆向前走。当车辆到达设定跟随距离时，车辆停止运动。

Claims (8)

1.一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车工作方法，用于带UWB基站的场地内的婴儿车自动跟随，其特征在于：所述婴儿车包括自带动力的且可与UWB基站通讯的行走机构；所述工作方法包括设于婴儿车处的第一UWB定位模块和设于被跟随目标处的第二UWB定位模块；所述第一UWB定位模块、第二UWB定位模块均与UWB基站无线通讯并进行定位；所述行走机构的控制板单元经UWB基站获取第一UWB定位模块、第二UWB定位模块的位置坐标后，根据两个位置坐标之间的差异，控制婴儿车的移动，使婴儿车与被跟随目标之间的距离保持在阈值范围内；
所述场地内设有多个UWB基站；所述被跟随目标为操作者，第二UWB定位模块为操作者携带的监护人UWB标签；监护人UWB标签以实时发射的纳秒级的非正弦波窄脉冲信号与UWB基站通讯；UWB基站在定位操作中实时解析监护人UWB标签所在的三维空间坐标；由婴儿车的控制板单元计算出婴儿车相对于需跟随的操作者的跟随方向和到达角度，并调整行走机构的转向控制单元以使婴儿车能智能地跟随操作者；
所述第一UWB定位模块、第二UWB定位模块均包括UWB标签；所述UWB基站通过测量脉冲信号在UWB标签与基站间的往返飞行时间进行定位；具体为UWB标签向UWB基站发送测距请求，UWB基站在接收到UWB标签发送的信号后，向UWB标签回复确认信息；
分别记录请求端信号发送和接收之间的时间间隔t 1与接收端信号发送和接收之间的时间间隔t 2，那么信号在空中的单向飞行时间T可以表示为：
Figure 108364DEST_PATH_IMAGE001
Figure 851936DEST_PATH_IMAGE002
；
根据信号在空中的单向飞行时间T与电磁波传播速度c的乘积可以得到标签到基站之间的距离d为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
以各个UWB基站为中心，标签到该基站的距离为半径画圆，交点处即为UWB标签的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车工作方法，其特征在于：所述转向控制单元与行走机构的控制板单元相连，控制板单元通过转向控制算法对小车的行驶方向和行驶速度进行控制；所述行走机构还包括与控制板单元相连的避障单元；当婴儿车跟随操作者移动时，所述控制板单元通过避障单元对婴儿车行进路径上的障碍物进行监测，并控制婴儿车绕开障碍物。
3.一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车，为权利要求2中所述工作方法使用的婴儿车，其特征在于：所述婴儿车包括用于承载婴儿的车身；所述车身以用于跟随目标并平稳移动的行走机构进行承载；所述车身或行走机构处设有车体UWB标签；婴儿车自动跟随功能的使用区域设有多个可对婴儿车和目标物进行UWB定位的UWB基站；所述行走机构以无线方式从UWB基站获取定位结果，并驱动婴儿车跟随目标物以使两者间距保持在阈值范围内。
4.根据权利要求3所述的一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车，其特征在于：所述行走机构为婴儿车的底盘；所述底盘包括驱动单元、供电单元、转向控制单元、制动控制单元、避障单元、运动传感器单元、控制板单元、减震单元、蜂鸣器，还包括设有车体UWB标签的UWB定位模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车，其特征在于：所述驱动单元与转向控制单元相连，通过马达驱动运动控制单元实现婴儿车的移动；所述供电单元与驱动单元相连，为婴儿车的行驶供电；
所述控制板单元对小车的行驶方向和行驶速度进行控制；所述转向控制单元与行走机构的控制板单元相连；
所述避障单元包括超声波传感器、红外传感器或激光传感器中的一种或多种；当避障单元的传感器为多种时，控制板单元通过避障单元以多传感器信息融合的方式对婴儿车行进路径上的障碍物进行监测，并控制婴儿车绕开障碍物。
6.根据权利要求5所述的一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车，其特征在于：所述运动传感器单元用于实时评估婴儿车的移动情况，包括加速度传感器、倾斜传感器、振动传感器或旋转传感器中的一种或多种；
所述控制板单元与运动传感器单元相连，并通过运动传感器单元进行婴儿车姿态判断，根据判断结果对驱动单元进行调整，确保婴儿车能在多种速度加速度情况下对目标物平稳跟随；
所述制动控制单元与控制板单元、运动传感器单元相连，当运动传感器测量婴儿车有突然的溜动趋势时，制动控制单元判定婴儿车处于滑落状态并使婴儿车自动刹车。
7.根据权利要求6所述的一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车，其特征在于：所述婴儿车还包括用于对车身减震的减震单元及与控制板单元相连的蜂鸣器；当控制板单元经运动传感器单元判定婴儿车处于移动失控状态时，通过蜂鸣器报警。
8.根据权利要求6所述的一种基于UWB定位的自动跟随婴儿车，其特征在于：所述婴儿车包括用于锁定婴儿车的总开关；所述总开关与运动传感器单元相连；当运动传感器单元监测到总开关处于锁定状态且婴儿车处于移动状态时，运动传感器单元向控制板单元发送告警信息，控制板单元经制动控制单元使婴儿车自动刹车。
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